天资聪颖的肖克利 自从人类发明了蒸汽机后，每过半个世纪，就会有一项石破惊天的发明，蒸汽机、火车、汽车、电子管、直到半个世纪前肖克利发明的晶体管。尔后，以晶体管技术为基础的高科技反动，简直影响到了人类生活的每一个方面。 二十世纪末，《洛杉矶时报》（Los Angeles Times） 评选出“五十名本世纪经济范畴最有影响力人物”。并列第一的是肖克利、罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）和杰克基尔比（Jack Kilby）。其中，肖克利发明的晶体管，诺伊斯与基尔比发明的集成电路（Integrated Circuit），奠定了第三次产业反动的基础。现代汽车工业奠基人亨利福特（Henry Ford）、二战期间的美国总统罗斯福（ＦＤＲ）、和迪斯尼动画王国（The Walter Disney Company）的兴办人瓦尔特迪斯尼（Walter Disney）排名第二至第四位。 上世纪末，贝尔实验室（Bell Lab）回想自己在二十世纪的发明时以为，贝尔实验室二十世纪最具影响力的二大发明是晶体管和计算机操作系统ＵＮＩＸ。二十世纪是近代物理崛起的世纪，近代物理中对人们日常生活影响最大的就是半导体和电脑产业。比起汽车和飞机，电脑对人们日常生活的影响是全方位的、无孔不入的。同时，半导体和与半导体相关的产业也成为了世界上最大的产业。这些都源于肖克利发明的晶体管和他的晶体管理论。因而，无论你怎样高估肖克利对高科技的贡献，都不会过火。 威廉肖克利于一九一零年二月十三日出生于英国伦敦，他父母是美国人。肖克利父亲方面的直系祖先是坐五月花号来北美的第一批清教徒。三岁时，肖克利一家回到了美国加州（California）圣克拉拉（Santa Clara）的帕洛阿托（Palo Alto）。肖克利在离联邦电报公司（Federal Telegraph Company） 一条街以外的房子里长大，惠普（Hewlett Packard Company）的车库也离的不远。肖克利是独子，父亲是采矿工程师，麻省理工（ＭＩＴ）毕业生，知晓八国言语。母亲是斯坦福大学（University of Stanford）第一批女毕业生之一。 小肖克利十分衰弱，而且特别难带，调皮的出格。他的恶作剧让人无法忍耐，他曾在客厅的地毯下装了一个开关，客人踩到时，会在其身后发出恐惧的声响，令人大吃一惊。他喜好搜集各种奇特的宠物，与邻居家孩子相处的十分慌张，而且脾气十分火暴。肖克利的童年是一个人孤独地渡过的。 肖克利家的邻居斯坦福大学教授罗斯（Perley A Ross） 对童年的肖克利影响很大。罗斯教授有两个女儿，肖克利常去罗斯教授家和他的两个女儿游玩。罗斯教授激起了肖克利对科学技术的兴味。但肖克利的性格并没有因而改动。 经过一段时间的察看，肖克利的父母发现肖克利是个极特别、极顽强的孩子，他们知道加州的公立学校不顺应他的性格。他们决议在家里自己教他，不久他们就放弃了。最后肖克利被送进了帕洛阿托军校（Palo Alto Military Academy）读书。在那里，肖克利接触到了高科技产品——收音机和形形色色的新发明。一九二五年，肖克利父亲逝世后，他们一家搬到了洛杉矶（Los Angeles） ，肖克利就读于好莱坞高中（Hollywood High School） 。肖克利的狂妄态在少年时就显露无遗，他对当代的工业进步也十分入迷。一九二八年，在一篇高中期末论文里，他这样写到：“我们处在一个机械化时期。我们能飞速旅游，能用最有效的方式打击敌人，这一切全仰仗机械发明。” 关于肖克利的ＩＱ，有一个有名的传说：小时分，肖克利妈妈带他去斯坦福找发明ＩＱ测试法的老特曼（Lewis Terman）教授给他测智商。结果是１２９分，高于平均值１００分，是个聪明人，但没到１３５分的天才规范，这让妈妈适得其反。但她不死心，第二年又测了一次，这次是１２５分，肖克利妈妈只好认命了。有趣的是，肖克利妈妈自己也测一下，结果是１６１分。看样子ＩＱ是无法遗传的。肖克利后来的成就也阐明了，一个人的胜利与否，ＩＱ固然重要，但天时、天时、人和更重要。 在MIT求学时享誉校园 肖克利最初读的是加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles）物理系，一年后他转去加州理工学院（California of Technology）物理系，当年加州理工的教授都是名师。大学生肖克利有着运动明星的身体，一米九三的身高，一身匀称的肌肉，名不虚传的一表人才。当地一家健身器材公司，找到了肖克利做模特，特地拍了一辑广告册。为了坚持体形，肖克利终身都没中缀过健身及游泳。肖克利还是一位攀岩高手，纽约有一条以肖克利命名的攀岩途径，叫“肖克利天棚”（Shockley Ceiling）。肖克利曾攀爬过阿尔卑斯山脉的主要山峰。暮年，肖克利又开端了航海。直到一九六一年七月二十三日的一同严重交通事故，才使肖克利放弃了体育运动。 在洛杉矶的这些年，肖克利接受了好莱坞的文化，这使得他十分喜欢出风头。在贝尔实验室工作时，他曾在公司餐厅里徒手爬上了最高的一面石墙，以此来引人留意。肖克利解释科学理论的才干很高，有一次，他这样解释放大作用：“假如你在骡子的尾巴上绑上一把点燃了的干草，然后比较骡子狂奔时的能量和点火所需的能量，你就能了解什么是放大作用了。”肖克利从未掩饰过要用自己的才干来取得财富，并成为百万富翁的想法。 一九三二年，肖克利大学毕业。和他父亲一样，肖克利来到了麻省理工物理系读博士。到ＭＩＴ不久，肖克利就以聪明在ＭＩＴ物理系知名。不可思议的是，从读大学起，肖克利总是带着手枪到学校注册，这可能是帕洛阿托军校的影响。后来在贝尔实验室工作时，肖克利常带枪出门，一次在新泽西（New Jersey）的高速公路上，他被警察因非法持枪带到了警察局，是贝尔实验室出面把他保了出来。 在ＭＩＴ的第一年，肖克利与比他大两岁的大学同窗贝莉（Jean Alberta Bailey） 成婚，不久他们有了一个女儿。成家后的肖克利靠奖学金和母亲的资助养家，同时也用功读书。肖克利的博士导师是曾在普林斯顿大学（University of Princeton ）任教的菲利浦莫尔斯（Philip Morse）。莫尔斯酷爱生活，钟情于文学、音乐、美酒和女人，物理是营生伎俩。莫尔斯是一名出色的物理教授，他的两个学生——肖克利和理查德费曼（Richard Feynman），都取得了诺贝尔物理奖。 在莫尔斯的指导下，一九三六年肖克利取得了博士学位，他的博士论文题目是“氯化钠晶体中电子波函数的计算”。肖克利原打算去耶鲁大学（Yale University ）任教，动身前，莫尔斯引荐他去贝尔实验室。贝尔实验室是美国电报电话公司（ＡＴ＆Ｔ）的研发机构，一个企业实验室，有史以来最有名的企业实验室。 从贝尔实验室开端职业生活 一八七七年，电话发明人亚历山大贝尔（Alexander Bell）创建了贝尔电话公司（Bell Telephone Company），贝尔公司很快就占领了电话通讯市场。一八九五年，贝尔公司整合了它在美国的长途电话业务，另建了一家独立公司——ＡＴ＆Ｔ。从此，ＡＴ＆Ｔ垄断了美国的电话业务，进而垄断了世界通讯行业。一九二五年，ＡＴ＆Ｔ总裁瓦尔特基福特（Walter Gifford）为确保企业未来的展开，收购了西方电子公司（Western Electronic Company）的研发部，成立了“贝尔实验室”，投入大量资金，使其成为世界上最优秀的企业研讨机构。贝尔实验室集基础研讨和应用开发于一身。其基础研讨注重于电子技术的基础理论：数学、物理、资料科学、和计算机软硬件理论。开发部门担任设计ＡＴ＆Ｔ电信网络的设备和软件。在ＡＴ＆Ｔ的支持下，贝尔实验室将美国的精英一网打尽。其中十一人因其在贝尔实验室的工作，获诺贝尔奖，包含华人科学家朱棣文和崔琦。朱棣文因发明“激光冷却和俘获原子的措施”获一九九七年诺贝尔物理奖。崔琦因对量子物理的出色贡献，获一九九八年诺贝尔物理奖。 贝尔实验室对高科技的贡献无论怎样高估都不会过火。一九七零年代中期，贝尔实验室每年发表二千三百篇论文，七百多个专利，是世界上最大的工业研讨机构。射电天文学、晶体管、激光、太阳能、场效应管、ＣＣＤ、移动通讯、ＵＮＩＸ操作系统、Ｃ和Ｃ＋＋言语等理论与技术，均出自贝尔实验室。贝尔实验室的成果，绝大多数国度都赶不上。二零零八年，随着人才大量流失，及母公司的亏损，贝尔实验室宣布退出基础科学及芯片研讨范畴。往常的贝尔实验室已很少有人提起了。 一九三六年，肖克利参与贝尔实验室的时分，贝尔实验室人才辈出、成果辈出。二十六岁的肖克利在克林顿戴维森（Clinton Davisson）的研讨小组工作。戴维森因发现电子衍射现象，获一九三七年诺贝尔物理奖，他是能让肖克利为之服气的人。在戴维森的指导下，肖克利发表了多篇固体物理学论文，并于一九三八年取得了第一个专利：“电子倍增放大电器”。一九三九年，肖克利构思了一个把导线埋入氧化铜的场效应管，固然这一器件从未被制造出来，但这是一九六零年代后在集成电路中普遍运用的场效应器件的雏形。 肖克利还碰巧设计出了世界上第一个核应堆。一九三九年，全世界的物理学家的留意力都在核裂变上。贝尔实验室指定肖克利和詹姆斯费斯克（James Fisk）对核裂变作为新能源的可行性做一调研。贝尔实验室给了两人一间小屋子。一天，肖克利在淋浴时，忽然想到：“假如把两块铀分开，中子就会慢下来，也就是说不会被俘获，这样的话就能用其来轰击铀２３５。”两个月后，两人制造出了世界上第一个核反响堆。这件事立刻被报到了华盛顿。美国政府紧密封锁了这一成果，连美国科学家都不让知道。美国政府用一切可能阻止了肖克利和费克斯申请专利。直到二战终了后，曼哈顿计划（Manhattan Project） 的科学家们才知道此事，而他们是用同一想法发明了肖克利和费克斯的核反响堆。 二战时的部队阅历 二战爆发后，肖克利来到了部队研讨部门工作。他先担任哥仑比亚大学（Columbia University） 的反潜艇研讨组（Antisubmarine Warfare Operations Research Group ）主任，任务是研制深水潜艇炸弹。肖克利的研讨小组处置了深水潜艇炸弹问题，使美国海军对德国Ｕ型潜艇的击沉率上升了五倍。肖克利的研讨小组还研讨出了一种新的潜艇搜索措施，进步了美国海军对德国潜艇的击沉率。一九四四年后他掌管了一个空军新型雷达投弹瞄准器的锻炼计划，以锻炼Ｂ－２９轰炸机飞行员为主。为了检验实战效果，他有三个月在世界各地的空军基地检验实战效果。正由于肖克利的研讨，Ｂ－２９才干成为向日本本土实施地毯式轰炸的主力，在广岛和长崎扔下两颗原子弹的也是Ｂ－２９。 安定洋战争未期，美国曾准备对日本本土展开大范围的两栖登陆作战，代号“衰落行动”（Operation Downfall），想以此迫降日本。为最大限度避免伤亡，美国军方和情报部门在行动前对风险中止了全面评价。美国战争部长委托肖克利作一份伤亡评价讲演。经剖析，肖克利以为登陆作战会构成日本五百到一千万军民的伤亡。日本会是全民参战，美军伤亡会在一百七十到四百万人，其中死亡人数会抵达四十到八十万。评价讲演影响了高层的决策，“衰落行动”未能付诸实施，美国以向日本投掷两颗原子弹终了了战事。肖克利是拉斯拉莫斯实验室之外的最高级别的平民参战人员，二战期间，他是少数几个能接触到最高军事秘密的人。为惩处肖克利在二战期间的贡献，一九四六年，战争部长罗伯特帕特森（Robert P Patterson）授予了肖克利“优秀勋章”（National Medal of Merit）。 布什（Vannevar Bush）与特曼（Frederick Terman）也曾取得这一殊荣。 重回贝尔实验室 二战后，肖克利回到贝尔实验室。贝尔实验室成立了一个固体物理研讨小组，他们要制造一种能替代电子管的半导体器件。肖克利任组长，化学家史丹利摩根（Stanley Morgan）任副组长，成员有物理、化学、电子方面的专家。其中包含约翰巴丁（John Bardeen）、瓦尔特布莱顿（Walter Brattain）、希尔伯特摩尔（Hilbert Moore）。 半导体是一类掺了杂质的晶体资料。这类掺杂后的晶体资料，会有整流作用，就是说这类资料只能让电子或空穴一种电流经过，而不像导体，无论是电子电流还是空穴电流都能经过。由于半导体是在晶体里掺杂，而晶体具有良好的导热性、并且很稳定，因而晶体管取代电子管是必定趋向。但是，只需整流二极管没有放大器，晶体管仍无法和电子管竞争。贝尔实验室的肖克利研讨小组，就是要用锗和硅来制造这一放大器件。 巴丁是固体物理专家，理论造诣很高。一九二八年，巴丁从威斯康辛大学（University of Wisconsin-Madison） 电机系毕业，然后在海湾石油公司（Gulf Research Lab）做了三年工程师，一九三三年进入普林斯顿大学物理系进修，一九三六年获物理系博士学位。巴丁曾任哈佛大学（Harvard University）研讨员。二战期间，巴丁在华盛顿海军军械实验室退役，一九四五年参与贝尔实验室。巴丁是独一的两次诺贝尔物理奖得主。他在普林斯顿大学的导师维格纳（Eugene Wigner） 是一九六三年诺贝尔物理奖得主。 布莱顿是小组里的实验巨匠。布莱顿一九零二年出生于中国厦门，一九二九年于明尼苏达大学（University of Minnesota） 取得物理学博士学位后，参与贝尔实验室。布莱顿是一位高超的实验物理学家。布莱顿在贝尔实验室不时工作到六十五岁退休。退休后，他回到华盛顿州老家，在母校惠特曼学院（Whitman College） 教了五年书，才真正退休。 此前，贝尔实验室就对半导体资料中止了研讨，发现掺杂的半导体整流性能比电子管好。因而小组把留意力放在了锗和硅这两种半导体资料上。在肖克利的指导下，他们尝试、失败、再尝试、再失败。一九四七年十二月十五日，这次巴丁的名义效应理论与布莱顿精深的实验结出了硕果。他们用刀片在三角形金箔上划出了两道极细的缝隙，然后两边分别接上导线，用弹簧将其压进锗块名义。这是一个由锗、电池、金线、弹簧、纸板、组成的小装置。连好线后，当锗块上的两个接触点越来越近时，他们察看到了电压放大作用。
贝尔实验室发明的第一只晶体三极管 晶体管的降生 一九四七年十二月十六日，布莱顿在实验笔记上这样写到：“在锗名义上用点接触措施加上两个电极，距离四百微米。此时１。３伏的直流电压，被放大了十五倍。” 布莱顿拿出笔记本，记下了实验数据，肖克利作为研讨小组的指导与见证人，在笔记本上签了名。改动历史的晶体管就这样降生了. 一九四七年十二月二十三日下午，布莱顿和摩尔来到实验室。圣诞将至，同事们都准备放假了。但是，他们还是兴高采烈地来看两人的半导体放大实验。这次，布莱顿和摩尔在装置的一端连一个麦克风，另一端接一副耳机。摩尔与布莱顿用麦克风讲话，其他人用耳机收听，他们听到了被放大了上十八倍的声音。这一天被以为是晶体三极管的降华诞。这是人类史上第一次不需求用真空管就能将声音放大的装置，晶体管的发明印证了阿瑟洛克的名言：“任何严重的科技进步，都和奇迹联络在一同。” 晶体管要到几个月后才被正式命名，晶体管transistor由两个词传（transfer） 和电阻（resistor）合成的。几年后，人们发现，硅比锗更合适于消费晶体管。于是，硅就替代了锗，北加州也因而被称为“硅谷”（Silicon Valley）而不是“锗谷”。 在发明晶体三极管的过程中，贝尔实验室一共有十二个人被直接提到。
肖克利、巴丁、布莱顿在发明晶体管的实验室里 贝尔实验室着手为这项划时期的发明申请专利时，发现晶体管降生的那一刻肖克利并不在场；专利代理律师发现，肖克利关于晶体管的场效应理论，与此前一项已生效的结型场效应管专利抵触，固然那项专利无法做成产品。因而在申请专利时，肖克利不是发明人。这下肖克利火了，晶体管的降生基于肖克利的场效应（Field Effect）理论，整个研讨过程肖克利也直接参与了，但发明专利上没有他的名字。 天才肖克利对晶体管的改进 肖克利是天资聪明、勤奋工作的天才。肖克利知道点接触晶体三极管（Point contact transistor），效率不高，而应用扩散技术能做出更好的晶体三极管。一个月的单独秘密研讨后，肖克利提出了更为先进可行的结型晶体三极管（Junction transistor）想象，那是一九四八年一月二十三日。一九五零年，肖克利的研讨小组制成了第一只结型晶体三极管，结型晶体三极管使后来的晶体三极管和集成电路的大范围消费成为可能一九五零年十一月，肖克利发表了一本论述半导体器件原理的经典著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上细致论述了却型晶体管原理。肖克利以自己的努力，向世界证明了他是真正的晶体管之父，同时也证明了他的科研天赋。肖克利懂得如何找到问题的本源，他能经过一种精练的文字及口头表述，把科研工作带到一个新的、正确的方向。 肖克利是贝尔实验室最了解这个发明的未来展开空间的人，他对晶体管在电子工业的应用比贝尔实验室知道的多得多。肖克利很少在演说中提到晶体管的研制过程，还常常表示自己不是晶体管发明人，无法作出很好的阐明。但肖克利是当时对晶体管展开空间看得最分明的人。一九四九年，他在通用电气（General Electrical）的科学论坛广播节目中说：“我以为晶体管能够应用到电脑上，它将是这些装置的理想的基本元器件。” 第一个晶体管的专利是结型场效应管，是由美国人Julius Edgar Lilienfeld于一九二五年取得的专利。一九四八年二月二十六日，巴丁和布莱顿为他们发明的晶体三极管申请了专利；同一天，肖克利也向美国专利局递交了却型三极管的专利。
巴丁的点接触型晶体管专利 晶体管改动了电脑 肖克利时期的电脑，体积庞大。宾夕法尼亚大学在一九四六年组装的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer），是第一台能从事较大运算量的电脑。该电脑主要应用在军事和政府事务上，一些大公司也会用到它。这是一台三十顿重的怪物，运算时耗费十五万瓦的电，一万八千只真空管，完整由电线衔接。真空管发出的光和热是一个严重的问题，飞蛾和小昆虫经常会进入电脑内部构成短路，它们被称为computer bug， 而除虫维修，则称为debug一九四九年，有杂志这样预言电脑的未来：“未来的电脑可能只需一千只真空管，半吨重。”这个预测完整不了解了晶体管和它的潜力。 三极管主要有两大功用：放大与开关。晶体三极管因其资料是晶体因而在完成大功率放大时，不需预热，产生的热量也很小。完成同样的功用，晶体管耗费的功率是电子管的百万分之一。作为开关，晶体管比电子管更快、更小，为电脑的微型化奠定了基础。晶体管的发明将引发电讯和电脑等各个方面的反动。 晶体管应用电子在晶体内的活动性，来控制、放大并交流信号。以晶体管制造的设备体积小，牢靠性增加了。家用电器、电脑、电话交流设备、火箭和卫星由于晶体管的应用有了新突破。晶体管原意为传输电阻器件，是当时贝尔实验室的一位工程师取的名字，由于真空管的易碎、易热、短命，该工程师说过“大自然憎恶真空管”。晶体三极管的工作原理很简单，只需在三极中的发射极上加上直流电压，再在基极上注入要被放大的电流信号，集电极就会产生被线性放大了的信号。现代最快最好的晶体管的放大倍数能抵达几百到一千。
晶体管的演进 两年来，肖克利在中止晶体管研讨的同时，不时打压排斥巴丁和布莱顿。最终，布莱顿去了其它研讨组。巴丁分开了贝尔实验室，去伊利诺伊大学物理系当教授了。他的首个博士生霍洛尼亚克（Holonyak）明了ＬＥＤ。巴丁与库珀（Leon N Cooper）、施里弗（John R Schrieffer）共创了ＢＣＳ理论，对超导做出了解释，再次取得了诺贝尔物理奖。 巴丁与布莱顿分开后，肖克利的研讨停滞了。他给自己放了一个长假，回母校加州理工执教一年，又去了五角大楼的武器评价小组任职一年。期间与身患子宫癌的妻子离了婚。 这几年里，很多公司批量消费晶体管了，运用晶体管的小型电器，如助听器、收音机等也问世了。据统计，一九五四到一九五六年间，美国市场上共销售了一千七百万只锗晶体管和一千一百万只硅晶体管，总价值为五千五百万美圆。通用电气、ＲＣＡ、德州仪器（Texas Instruments ）、ＡＴ＆Ｔ、和雷神（Raytheon）都是晶体管的大用户。因成本及消费工艺的缘由，晶体管尚未得到普遍应用，同期电子管销售了十三亿，市场份额超越十亿美圆。
早期的晶体管半导体收音机 一九五四年圣诞节，晶体管收音机问世。晶体管收音机体积小，用电池就行了。这台收音机售价为＄４９．９５美圆。第一年，这台收音机就买了十万多台。不久，一家叫Tokyo Tsushin Kogyo的公司，用晶体管技术称霸了电视机和收音机市场，它就是索尼公司的前身。这一切仅仅是开端。晶体管最后成为数码时期的技术基础，它是构成一切电子产品的细胞，现代最复杂的计算机芯片上有上亿个晶体管。晶体管的发明促成了苹果电脑、英特尔、微软、谷歌的降生。没有晶体管就没有今天的高科技，也不会有硅谷。 电子管之父佛瑞斯特（Lee de Forest） 是在晶体管展示会上见到它的，佛瑞斯特充沛了解，自己发明的真空三极管在经过四十二年的辉煌岁月后，将正式退出历史舞台了。 一九五零年代中期，高纯硅的工业提炼技术已成熟，肖克利很分明，电子管很快会被淘汰，未来属于晶体管。肖克利决计分开贝尔实验室，回加州创业。一九五五年，肖克利给将成为他第二任妻子的女友的信中这样写道：“很明显，我比其他人更聪明、更热心工作，也比大部分人了解人类。”这三件事中，他只说对了两件。 免责声明：本文系网络转载，版权归原作者一切。如触及作品版权问题，请与我们联络，我们将依据您提供的版权证明资料确认版权并支付稿酬或者删除内容。 |
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